某水利工程原有的安全监测自动化系统存在很多问题，例如运行速度慢、采集数据不全面、信息传输慢、效率低下，劳动强度大等问题。这些问题严重影响了水利工程的发展，也极大的制约了国民经济的发展。为此，有必要对原有系统进行升级改造。改造后的系统，采集网络结构更先进，测控装置选用了新型的MCU，增加了人工接口装置以及防雷电设备等，极大的改善了原有系统的性能，其运行速度有了很大的提高，采集数据以及信息传输的能力也有了显著的提高。
某些水利工程原有的安全监测自动化系统存在很多问题，例如运行速度过慢、采集数据不全面、信息传输慢、效率低下，劳动强度大等问题。这些问题严重影响了水利工程的发展。改造安全监测自动化系统，具有很重要的现实意义。目前，水利工程使用的采集控制设备大多配套有安全监测自动化系统，大多数采集控设备都是非标准的、通用的。设备的生产厂家不同、型号不同，设备接口不兼容等都将会影响安全监测自动化系统的性能以及增加改造的成本。为此，需在原有的安全监测自动化系统的基础上，加以改进和优化网络结构。改造后的系统，采集和传输信息的速度以及工作效率有了明显的提高，人工劳动强度也降低了，实现了自动化。
1 工程概述
某水利枢纽工程是一项集旅游、防洪、发电、灌溉为一体的综合性的大型水利工程，是一项规模达到大(2)型、建筑物等级为二等的农业开发的重要工程。工程的建筑物主要由4部分组成，分别是地面式发电厂房、引水隧洞、泄洪洞和大坝。
前两者(地面式发电厂房、引水隧洞)的建筑物等级为Ⅳ级，后两者(泄洪洞和大坝)的建筑物等级为Ⅱ级。工程的大坝最大坝高、坝长、坝顶宽、坝顶高程分别为76.3米，287米，10米，4261.3米。大坝主要用粘土心墙堆填筑。
2 工程安全监测现状
随时掌握枢纽的运行情况跟工作性态，需借助监测仪器设备。当初，在设计时已考虑到这点，该工程安装了大量的监测仪器设备。在2001年5月，该水利工程的安全监测自动化系统试运行，安全监测自动化系统主要从以下四个方面进行监测。(1)工程安全监测自动化;(2)变形安全监测(主要是监测枢纽外部);(3)引水系统安全监测;(4)大坝安全监测。该水利工程处于地震高烈度区，地震防烈度为8度。强震监测系统由3部分构成，分别是强震采集工作站、强震采集仪以及强震测点，其数量分别为1台、1台、4套。根据管理人员的叙述和相关资料的记录，证实从2004年两套系统的故障率已达到一定标准。在2013年4月22日到24日去现场进行测试和检测，发现的问题有：一是两套系统问题严重，基本瘫痪了。二是受雷击的影响，电源系统及主模块已损坏。三是强震采集仪以及强震采集工作站都无法工作。四是部分设备电路老化问题严重。五是MCU也遭受了破坏。六是主板已生锈腐烂(受潮湿以及电解液浸泡的影响)。
3 改造安全监测自动化系统的必要性及设计原则
3.1 必要性
该水利工程所建位置地质环境复杂，地基性质属于岩土特性且不均匀。安全监测自动化系统的运行状况以及工作性态易受多方面的影响而发生变化。例如，自然环境以及各种作用力，大坝配套安全监测系统的技术水平，安全监测系统的使用寿命，大坝的建筑材料、施工质量以及设计水平等都将会影响安全系统的运行状况以及工作性态。若是现场工作人员不能及时发现安全监测系统工作性态的异常情况，任由其发展，造成的后果将会非常严重。因此，有必要建立一套先进、可靠的安全监测系统，进一步对现有系统改造、升级，确保安全监测系统能正常稳定的运行，具有很重要的现实意义。
3.2 设计原则
安全监测系统的设计要满足3个设计原则，一是可靠性原则。安全系统的可靠性，可从技术指标方面来提升：(1)自动采集的数据的准确度要达到相关规范(SL551，SL268 等)的要求;(2)自动采集的数据的缺失率应低于2%;(3)数据采集装置的无故障时间的平均值应大于6800小时。二是先进性原则。通讯控制、自动化、计算机以及当前的监测仪器设备的软硬件技术水平要先进。三是经济适用原则。根据枢纽工程的实际作用，监测项目的改造要有针对性，现有的仪器设备不能弃之不用，要充分将他们的作用发挥出来，一来可以避免资源的浪费;二来可以节省投资，达到经济适用的目的。
3.3 改造项目的确定
通过对现场调研，该安全监测系统的运行现状和其他问题已全面掌握。改造的重点主要放在工程的安全监测自动化方面以及大坝安全监测方面。改造的具体监测项目主要有五个方面，一是工程安全监测自动化系统;二是大坝强震;三是大坝渗流;四是坝体内部位移;五是库区环境量。前四个方面是对现有系统进行升级改造的项目。第五个方面是新增的项目。
4 系统的改造设计
4.1 坝体内部位移监测
坝体内部位移的监测需在距大坝轴线7米处(坝轴线下游侧)的位置设置一条测斜管，其桩号为0+150.00 米。采用人工监测和自动检测两种方法来监测坝体内部位移(粘土心墙内部分层水平位移)分布的规律以及大小。人工监测方法使用的设备为活动测斜仪。自动检测的方法使用的设备为固定测斜仪。固定测斜仪安装在测斜管内，安装数量为13台。每隔6米安装一台固定测斜仪。
4.2 大坝渗流监测
为了能够全面掌握运行期的坝体的渗流情况，需监测坝体内浸润线的位置。坝体内浸润线的监测需在坝体内部沿坝轴线上游侧(距坝轴线1米)以及下游侧(距坝轴线7米)安装测压管。一般选择2个监测断面进行监测。在坝轴线选择桩号0+146.00 米和0+088.00 米作为监测断面。测压管的数量为4个，每个监测断面需安装2个。采用人工监测和自动监测的方法进行监测。人工监测使用的设备是平尺水位计。自动监测方法使用的设备是渗压计。渗压计安装在测压管内。自动监测方法需使用测压管4个，渗压计6支。渗流量自动化监测和绕坝渗流的监测需安装测压孔12个，采用自动监测的方法进行监测。自动监测使用的设备为渗压计。12支渗压计需安装在测压孔内。
4.3 大坝强震监测
在原大坝的强震监测台阵上进行重新设置。监测的主要目标位于大坝的最高点和自由场测点。选大坝上桩号 为0+142.30m点为最高点，选大坝下游距坝址距离为100米处为自由场测点。大坝的强震监测需设置6个监测点。其中3个监测点设置在坝址、坝高的1/2，坝顶处。剩余的监测点(3个)分别设置在自由场、右岸坝肩、溢洪道处。每个监测点还需使用加速度传感器((3向一体))1台和强震仪1台。在左岸的监测房内安装强震采集仪。自动监测(地震动力加速度变化的瞬间过程)主要是通过强震仪之间组网实现的。
4.4 库区环境量监测
库区环境量的监测需安装数据采集软件和自动气象站。在负责数据采集的工作站(监测管理站内)内安装数据采集软件。环境量监测数据的采集与存储工作需要实时的进行监控，可通过采集网络的通讯光缆实现其目的。自动气象站需安装在左坝头1号监测站的屋顶上。其主要测量的要素有5个，分别是湿度和温度、风向和风速以及降水。
5 完善工程安全监测自动化系统
5.1 设置监测站
该水利需设置监测管理站、监测管理中心站以及3座监测站。在厂区的办公楼内设置监测管理站。在会商中心设置监测管理中心站。会商中心位于某水利管理局(江孜县)办公楼内。在施工洞的出口、进水口闸室以及大坝左岸分别设置监测站。监测站需使用150支传感器和7台DAU两种设备。3个监测站分别命名为1号监测站(也是强震监测站)、2号监测站和3号监测站，3个监测站传感器数量分别为34支，35支，81支。
5.2 构建自动化采集网络
原水利采集网络所存在的问题主要有3个，一是系统运行速度慢;二是稳定性较差;三是通讯干扰大。系统的采集网络通讯协议为RS-485，采集网络实现了全覆盖(3个监测站和1个监测管理站)。通过光缆(通信介质)连接分布在不同地方的监测站。双环自愈型的采集网络结构以及光缆的类型(铠装聚乙烯护层通信用室外 8 芯光缆)能为通讯的可靠性提供保证。采集工控机跟远程控制计算机(监测管理中心站内)通过以太网络连接。以太网的网络协议为TCP/IP。
各监测点的仪器再经监控服务器发出的指令后同时被触发。系统采集数据的工作效率以及运行速度都有了很大的提高，为通讯的安全性以及可靠性提供了保证。
5.3 强震监测网络结构
该工程的强震监测网络也是通过以太网连接各个监测站。其通讯协议为TCP/IP，网络实现了全覆盖(1号监测站、2号监测站及现场办公楼内的监测管理站)。强震监测网络使用的通信介质也是光缆。1号监测站和2号监测站的强震监测仪都需要通过强震专用电缆连接相应的强震传感器。1号监测站的强震监测仪连接的是位于自由场、坝高1/2以及坝顶中间的强震传感器。2号监测站的强震监测仪连接的是位于溢洪道以及坝顶右岸的强震传感器。通过光缆将强震采集服务器与强震监测仪(2个监测站)连接。这样就形成了强震的监测网络结构，数据的采集与存储工作也就完成了。
5.4 自动化监测系统
自动化监测系统需安装远程数据采集与分析的工作站和服务器以及数据采集工作站三种设备。数据采集工作站安装在厂区办公楼内，也就是监测管理站的位置，数量为1台。远程数据采集与分析工作站以及服务器安装在监测管理中心站(某水利枢纽管理局办公楼)，其数量为1台，1台。控制电缆的一头连接着监测管理中心站的管理网络(县某水利枢纽管理局办公楼内)，另一头连接着数据采集工作站(监测管理站内)。现场实时自动化数据采集工作主要是由数据采集工作站(现场监测管理站)来完成。远程数据采集与管理分析工作主要是由远程数据采集与分析工作站来完成。
5.5 开发安全监测自动化采集、信息管理软件
安全监测自动化软件系统主要包含3个子系统：(1)数据管理分析子系统;(2)数据采集子系统;(3)数据库子系统。数据管理分析子系统主要是用来综合分析和管理信息程序。数据采集子系统包含自动化数据采集、自动化数据采集以及人工监测数据输入3个模块。系统最为关键的核心是数据库子系统。其他子系统的数据服务支持离不开数据库子系统的支持。数据库子系统由7个数据库组成，分别是工程资料库、方法库、模型库、系统配置库、分析数据库、整编数据库以及原始数据库。由此可见，该软件系统的安全运行服务主要是以数学物理模型方法、数据库(分布式关系)、计算机管理网络系统、自动化数据采集网络联合工作的。评价一个软件系统是否好坏，不仅要看软件系统软硬件的配置，还需考虑软件系统是否能与其他设备兼容、技术是否先进，运行是否可靠，系统是否实用、操作是否简单以及能否扩充等问题。因此，有必要开发一套安全监测自动化采集、信息管理软件。该软件应具有的功能有选测功能、自动巡测功能以及自动检查功能。该软件系统提供了5中自动控制方式，更好的实现了自动检测存储、采集以及触发的功能。该系统采用两种控制方式完成数据采集工作。一种是远程控制方式;另一种是现场控制方式。为了确保观测数据的及时性以及准确性，该系统还提供了自动触发复测、在线监测以及实时完成数据整编计算的功能。另外，软件系统还提供了远程监控的功能。通过构建网络结构，实现了对监测管理中心站、现场工控机以及采集工控机的联网。远程控制采集软件安装在远程下位机处，帮助软件系统完成数据提交人库以及远程数据采集等工作。监测管理中心站的数据库为SQL Serv-er 2008 R2版，其主要是用来整合前期观测的数据(观测数据的整编计算、粗差剔除、人库等工作)。
6 结语
经改造后的安全监测自动化系统结合了当代最先进的自动化技术以及安全监测技术。改造后的系统，采集网络结构更先进，测控装置选用了新型的DAU，增加了人工接口装置以及防雷电设备等，极大的改善了原系统的性能。该系统集数学物理模型方法、数据库(分布式关系)、计算机管理网络系统以及自动化数据采集网络为一体，更好的实现了对观测数据的采集、整编、计算等工作，使得安全监测系统能安全可靠的运行。
作者：薛伟 来源：建材发展导向 2016年5期
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